礦物材料中的電功能材料

關(guān)于礦物材料中的電功能材料作為材料家施行中數(shù)量最多、門類豐富的天然礦物具有多種多樣的導(dǎo)電(絕緣)、介電、壓電、熱電性能,是鑒定和選別礦物和物理探礦(電法勘探、遙感)以及利用礦物制備功能材料的物理依據(jù)。在科學(xué)技術(shù)尤其是電子技術(shù)高速發(fā)展的今天,對電功能材料提出了更多的數(shù)量和更高的質(zhì)量要求。背景第2頁,共30頁，2024年2月25日，星期天一、礦物的導(dǎo)電性材料導(dǎo)電率的大小由帶電粒子濃度和遷移率決定。帶電粒子可以是電子、空穴和各種離子。因此,材料導(dǎo)電率是上述各種粒子導(dǎo)電率的總和。天然礦物之間導(dǎo)電率相差勘大,可達(dá)1020(表1)。歸結(jié)起來,是由于他們的化學(xué)成份、結(jié)構(gòu)、鍵型的不同,形成過程中出溶、析晶、晶格畸變、缺陷、位錯、類質(zhì)同象置換和雜質(zhì)礦物的混入等原因,導(dǎo)致帶電粒子濃度和遷移率的差異而產(chǎn)生的。第3頁,共30頁，2024年2月25日，星期天第4頁,共30頁，2024年2月25日，星期天固體電子論認(rèn)為,礦物導(dǎo)電性的本質(zhì)在于各種礦物能帶結(jié)構(gòu)的差別和價電子填充情況的不同,禁帶寬度決定了帶電粒子位移的難易。硅酸鹽礦物、硫化物礦物及金屬礦物有不同的禁帶寬度。一些礦物的禁帶寬度(Eg)和帶電粒子濃度(n)如表2所示。第5頁,共30頁，2024年2月25日，星期天礦物的電導(dǎo)率還與環(huán)境溫度有關(guān)。對于金屬礦物而言,溫度增加使電子運動所受阻力增大,電導(dǎo)下降。對于硅酸鹽和氧化物類礦物,溫度升高,一方面使電子躍遷幾率加大,載流子濃度變大;另一方面使離子振動加劇,載流子移動阻力增大,一般來說,隨著溫度升高,導(dǎo)電率增加,電阻率降低。環(huán)境濕度對具有較高電阻率的離子鍵和共價鍵礦物的導(dǎo)電率有十分明顯的影響。礦物表面越粗糙,剩余鍵力越大,粒度越小,比表面積越大,都會使礦物吸濕性變大。影響因素第6頁,共30頁，2024年2月25日，星期天影響因素此外,礦物的導(dǎo)電性還和施加電場和頻率有關(guān)。粉末狀礦物還與其粒徑和粒子形狀有關(guān)。某些礦物在一定壓力、一端加熱和聲音作用下,會發(fā)生電荷聚集(如壓電石英、電氣石、辰砂),進(jìn)而使電導(dǎo)率發(fā)生急劇變化。第7頁,共30頁，2024年2月25日，星期天二、礦物導(dǎo)電性的應(yīng)用天然礦物在無機(jī)電絕緣材料、導(dǎo)電材料和半導(dǎo)體材料上有著廣泛的應(yīng)用。由于天然礦物本身的復(fù)雜性和材料有一定的使用條件和技術(shù)要求,天然礦物作為功能材料原料時,應(yīng)查明影響導(dǎo)電率的因素,有針對性地進(jìn)行選礦提純、表面處理、改性、復(fù)合等處理,才能滿足使用各種條件下的技術(shù)要求。第8頁,共30頁，2024年2月25日，星期天2.1電絕緣材料在無線電電子技術(shù)和電氣工程中,需要大量具有較高電緣性能的材料。如電機(jī)、電車、無線電發(fā)射塔等的絕緣支撐材料,家用電器中的電熱管、電熨斗、電飯煲的絕緣填料。雖然其中一部分可以使用有機(jī)材料,但無機(jī)礦物材料,尤其是硅酸鹽一氧化物具有耐高溫、抗老化、抗酸堿和化學(xué)穩(wěn)定性好的優(yōu)點,仍是當(dāng)今電絕緣材料的重要組成部分。第9頁,共30頁，2024年2月25日，星期天如白云母,具有很高的透明度、彈性、韌性、化學(xué)穩(wěn)定性,并有優(yōu)異耐高壓、耐熱、耐火性和較好的電絕緣性是制備電機(jī)、電子管和電容器的重要材料。又如滑石粉,在1000℃以內(nèi)具有較好的電絕緣性,常用于變壓器、電機(jī)匝間涂料的填料。云母礦白云母第10頁,共30頁，2024年2月25日，星期天作為電熱管用的電絕緣填料。目前常用的是電熔氧化鎂

,在常溫下極易吸潮發(fā)生水合反應(yīng),生成氫氧化鎂,而使電絕緣性能大為降低,并且價格較貴。經(jīng)過多年的反復(fù)試驗,以天然硅酸鹽礦物為原料,經(jīng)過選礦提純、表面處理和改性,制備出復(fù)合硅酸鹽礦物電絕緣填料。完全能在一定溫度范圍(<300℃)內(nèi)代替電熔氧化鎂,作為電絕緣材料使用。其抗潮性能優(yōu)于電熔氧化鎂,工藝性能好,成本低廉。電熱管第11頁,共30頁，2024年2月25日，星期天以石英為原料制備的硅微粉由于其高的電絕緣性和相對于樹脂較高的導(dǎo)熱、耐熱、低膨脹、高耐溫、低應(yīng)力等一系列優(yōu)異性能是電工絕緣和大規(guī)模集成電路塑封料的首選填料。隨著電力工業(yè)的發(fā)展和計算機(jī)大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用,尤其對作為塑封填料的硅微粉提出了更多的數(shù)量和更高質(zhì)量要求,不僅粒度細(xì)(粒徑小于1μm),純度高(如鐵含量小于2ppm),而且要求放射性元素(u、Th),含量低(小于0.1ppb),并且顆粒形狀為球型(以增加其填充量和導(dǎo)熱性)。要實現(xiàn)上述技術(shù)要求,首先應(yīng)選擇優(yōu)質(zhì)礦源,采用先進(jìn)的無污染、超細(xì)磨、選礦浸除工藝和科學(xué)的球型顆粒制備方法。目前,我國普通硅微粉已有大量產(chǎn)品,但對于優(yōu)質(zhì)超大規(guī)模集成電路用硅微粉的生產(chǎn),仍是空白。石英集成電路第12頁,共30頁，2024年2月25日，星期天2.2長效防腐導(dǎo)電劑所有電力設(shè)備、建筑物和無線電儀器上必須有良好的接地裝置。傳統(tǒng)的接地裝置是在地下深處埋設(shè)金屬材料(如銅),周圍灌以活性炭和鹽水等導(dǎo)電劑,以保持一定的濕度,確保有較小的接地電阻。這種裝置存在著使用壽命短、導(dǎo)電性能差、不穩(wěn)定、需要經(jīng)常更換等缺點。第13頁,共30頁，2024年2月25日，星期天中國礦業(yè)大學(xué)等單位,經(jīng)過多年不懈努力,以膨潤土為基本原料,經(jīng)過粉碎、選礦提純、烘干后同某些試劑在高壓釜內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)改性,再經(jīng)脫水、烘干、粉碎,制得長效防腐導(dǎo)電劑。具有電阻率低、吸水性強(qiáng)、保水性好、粘附力強(qiáng)、性能穩(wěn)定、延緩接地體腐蝕等優(yōu)良特性。經(jīng)使用證明,該導(dǎo)電劑在雷電和工頻大電流作用下,性能不變。埋在導(dǎo)電劑中的接地體,歷時7年,表面生成一種亮綠色薄膜,保護(hù)了接地體不受腐蝕。因此,可作為發(fā)電廠、變電所配電變壓器,電器設(shè)備,輸電線桿、塔、避雷針、建筑物防雷接地體,無線電臺、電視臺、雷達(dá)站、微波站接地以及電子設(shè)備、電子計算機(jī)房接地裝置的導(dǎo)電劑。第14頁,共30頁，2024年2月25日，星期天2.3蒙脫石、黃鐵礦在高能電池上的應(yīng)用天然礦物的導(dǎo)電性為固體電解質(zhì)材料的研究提供了豐富的資源。固體電解質(zhì)材料是化學(xué)電池的必備材料。它要求電阻率為(10-3～10-5)Ψcm,具有較好的離子導(dǎo)電性或電子導(dǎo)電性。電子導(dǎo)電型電解質(zhì)作為電池材料主要是陰極

;離子導(dǎo)電型固體電解質(zhì)材料主要是陽極。第15頁,共30頁，2024年2月25日，星期天黃鐵礦

(FeS2)是自然界常見的硫化礦物。其電阻率為(0.0023～1.5)Ψcm,是電子導(dǎo)電型固體電解質(zhì)。黃鐵礦（FeS2）因其淺黃銅色和明亮的金屬光澤，常被誤認(rèn)為是黃金，故又稱為“愚人金”。第16頁,共30頁，2024年2月25日，星期天蒙脫石是具有開放性層狀結(jié)構(gòu)的硅鋁酸鹽礦物,能傳導(dǎo)一價、二價及高價離子,實現(xiàn)快離子傳導(dǎo),是較好的快離子導(dǎo)體。近年來,國內(nèi)外電源專家先后對黃鐵礦和蒙脫石進(jìn)行選礦提純、離子交換,制備出電極材料,用于LiS/FeS2高能蓄電池。具有比能量高、電流大、體積大、結(jié)構(gòu)堅固、貯藏期久的優(yōu)點,是航天、火箭和導(dǎo)彈的儀表工作電源。蒙脫石第17頁,共30頁，2024年2月25日，星期天三、礦物的介電性質(zhì)電介質(zhì)材料的重要性質(zhì)是在外加電場(直流、交流、電磁波)作用下,其內(nèi)弱聯(lián)系電子位置發(fā)生變化,進(jìn)而使質(zhì)點(原子、分子、離子)正負(fù)電重心發(fā)生分離產(chǎn)生偶極子和界面形成束縛電荷。自然界的礦物介電特性變化很大。介電常數(shù)變化大的是兩類礦物———硫化物和氧化物。在同一陽離子化合物中,硫化物礦物比氧化物礦物具有更高的介電常數(shù)。氧化礦物中,金紅石和鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的礦物具有較高的介電常數(shù)。硅酸鹽和含氧鹽礦物中,除了幾個礦物外,它們的介電常數(shù)和介電損耗都不大。第18頁,共30頁，2024年2月25日，星期天一些礦物介電常數(shù)的變化范圍如表3所示第19頁,共30頁，2024年2月25日，星期天四、礦物介電性質(zhì)的應(yīng)用在現(xiàn)代通訊、航空、航天、環(huán)保等領(lǐng)域中需要大量具有各種性能的微波材料。如能對電磁波有較好吸收效果的吸液材料

,具有一定介電常數(shù)而介質(zhì)損耗勘小的微波介質(zhì)材料

,對電磁波完全“透明”的透波材料。第20頁,共30頁，2024年2月25日，星期天這類材料通常有二類產(chǎn)品。一類是陶瓷系列材料,它雖然能滿足技術(shù)要求,但性脆易碎,不易加工或成品率低；另一類是塑料、橡膠、涂料類材料,這類復(fù)合材料的核心部分是具有不同微波性能的功能填料。第21頁,共30頁，2024年2月25日，星期天

常用的填料有鐵氧體、磁性金屬材料、多晶鐵纖維、羰基鐵、納米材料、金紅石、磷酸鋁、磷酸鉻等等。

這類填料均是用人工合成的方法制備的,不但價格較高,而且其中有些材料產(chǎn)品性能差而不穩(wěn)定。隨著科技的進(jìn)步和工業(yè)的發(fā)展,對微波類材料提出了更多數(shù)量和更高的質(zhì)量要求。人們對于加工復(fù)合型微波材料更加青睞。而天然礦物有寬廣的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗變化范圍

,為微波材料的填料提供了廣泛的選擇余地。第22頁,共30頁，2024年2月25日，星期天4.1微波吸收材料對微波吸收材料的基本技術(shù)要求是對一定頻軌率范圍內(nèi)的電磁波吸收高效、寬帶,材料質(zhì)輕(密度小),(涂層或板材)較薄。這一切主要是通過吸收劑的功能來實現(xiàn)的。這就要求吸收劑對電磁波有低反射高吸收能力天然礦物中具有較好吸收性能的礦物是鐵錳類化合物。長期以來人們對礦物用于電磁波吸收劑進(jìn)行了一些研究。第23頁,共30頁，2024年2月25日，星期天4.2微波介質(zhì)材料和微波吸收材料的技術(shù)要求相反,用于微波器件的介質(zhì)材料的技術(shù)要求是介電常數(shù)高,介電損耗低,介電常數(shù)的溫度系數(shù)小,密度低等,并要求成本低,施工工藝簡便。第24頁,共30頁，2024年2月25日，星期天傳統(tǒng)的復(fù)合介質(zhì)用填料為人造金紅石,其結(jié)晶度高、雜質(zhì)含量低,介電常數(shù)高。但實際使用的產(chǎn)品,往往是介電常數(shù)變化范圍大

(可達(dá)20%～30%),介電損耗偏大,參數(shù)不穩(wěn)定,不能達(dá)到使用要求。合成的人造金紅石第25頁,共30頁，2024年2月25日，星期天對某礦區(qū)的天然金紅石進(jìn)行了物質(zhì)組成、選礦提純和技術(shù)加工和電磁參數(shù)測定。

結(jié)果表明:該金紅石在1M～10GHz頻段具有較高的介電常數(shù)(ε′>100)和較低的介電損耗(tanδ<2×10-3),是制備微波介質(zhì)材料的較好原料,經(jīng)信息產(chǎn)業(yè)部有關(guān)科研單位制成介質(zhì)墊片初步試用,效果良好,目前正在繼續(xù)深入開發(fā)研究中。天然金紅石（金紅石渣）第26頁,共30頁，2024年2月25日，星期天雖然天然金紅石雜質(zhì)含量高,但是其介電性質(zhì)優(yōu)于人工金紅石。這是因為:人造金紅石是化工過程產(chǎn)物,用硫酸法或氯化法制備而得,產(chǎn)品中粉粒表面會有殘留一些酸根離子并產(chǎn)生晶格缺陷,反應(yīng)過程中會產(chǎn)生氧空位。如煅燒不充分會殘留一些未經(jīng)轉(zhuǎn)化的銳鈦礦相